【摘 要】
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负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)结构是一种具有负泊松比效应的力学超结构。这种结构在压缩时横向收缩,在拉伸时横向膨胀。由于这种独特的力学特性,该结构比一般多孔结构具有更高的刚度、剪切强度和能量吸收能力。具有负泊松比结构的材料已经被广泛的应用于航空航天、汽车制造、国防装备、生物医疗等领域。金属椭圆孔负泊松比结构是在弹性屈曲诱导负泊松比结构基础上发展而来的新型力学超结
【基金项目】
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国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”(项目号:2018YFA0703300); 吉林省教育厅基础项目(项目号:JJKH20211085KJ);
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负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)结构是一种具有负泊松比效应的力学超结构。这种结构在压缩时横向收缩,在拉伸时横向膨胀。由于这种独特的力学特性,该结构比一般多孔结构具有更高的刚度、剪切强度和能量吸收能力。具有负泊松比结构的材料已经被广泛的应用于航空航天、汽车制造、国防装备、生物医疗等领域。金属椭圆孔负泊松比结构是在弹性屈曲诱导负泊松比结构基础上发展而来的新型力学超结构,其具有结构简单、力学性能可调控、负泊松比有效应变范围大等优点。然而,由于研究起步时间较晚和制备工艺受限,研究学者对金属椭圆孔负泊松比结构能量吸收特性的研究较为匮乏,其结构参数与能量吸收特性之间的关系尚未得到详细探讨。相关研究表明,在一般多孔结构中引入空间梯度能够有效提高材料的力学性能和能量吸收特性,因此探究椭圆孔负泊松比结构中空间梯度的引入能否改善其力学性能和能量吸收特性具有极高的研究价值。本研究以选区激光熔化技术(SLM)为制备方法,设计和制备出具有不同结构参数的316L椭圆孔负泊松比结构。通过实验和有限元仿真模拟,研究不同结构参数对316L椭圆孔负泊松比结构压缩性能和能量吸收特性的影响。分析了结构参数对材料泊松比和弹性模量的影响规律。揭示了椭圆孔负泊松比结构的宏观变形行为以及负泊松比效应产生机理。设计并制备出不同梯度椭圆孔负泊松比结构。研究非梯度结构和梯度结构的压缩性能和能量吸收特性。探讨了梯度负泊松比结构的变形行为和失效机理。本文的主要研究结果如下:1.长短轴比对椭圆孔负泊松比结构的压缩性能影响显著。椭圆孔负泊松比结构的压缩强度、能量吸收能力和平均能量吸收效率随着长短轴比的增加而下降。随着长短轴比的增加,能量吸收效率峰值得到提升。当长短轴比为1:1,即为圆孔时,试样未表现出负泊松比效应。弹性模量和泊松比值随长短轴比的增加而降低。2.孔隙率对椭圆孔负泊松比结构的压缩性能影响显著。椭圆孔负泊松比结构的压缩强度、能量吸收能力和平均能量吸收效率随着孔隙率的增加而降低,而能量吸收效率峰值随着孔隙率的增加而提升。椭圆孔负泊松比结构的弹性模量和泊松比值随孔隙率的增加而降低。3.轴心孔隙率梯度的引入未能提高椭圆孔负泊松比结构的压缩性能。梯度椭圆孔负泊松比结构的压缩强度和能量吸收能力均低于非梯度椭圆孔负泊松比结构。孔隙率梯度的引入对能量吸收效率和弹性模量的影响较小。4.轴心孔隙率梯度的引入导致椭圆孔负泊松比结构的变形行为发生改变,梯度结构表现出更为明显的局部变形区域。非梯度结构和梯度结构的不同变形特点导致泊松比的变化趋势不同。
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